[发明专利]基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种冲压成形领域模具磨损的预测方法，具体为通过数值模拟技术计算冲压成形界面上摩擦功的耗散，结合实验中模具表面损伤极限，实现生产中冲压成形模具磨损的预测。

背景技术

工程中，冲压模具是用来成形各种薄壁零件的重要装备。然而，随着许多薄壁零件轻量化的需求，先进高强钢因其轻质、优良的防撞性和经济性已经成为实现轻量化的首选材料。但由于其强度级别高，在成形过程中需要更大的压边力，导致钢板、模具界面承受较高的接触压力和剪切力，界面温升明显，这些都将导致钢板、模具表面损伤的加剧。由于模具的制造成本较高，所以保证模具在工作过程中的精度、延长模具寿命对于保障冲压件产品质量、提高生产效率和经济效益极为重要。模具磨损是影响模具使用寿命的决定性因素，磨损造成的模具失效占失效模具总量的70％左右。模具由于局部磨损失效过早报废，冲压件产品由于冲压过程中模具表面的局部磨损而出现质量不稳定，即表面损伤问题，从而造成模具工业以及相关产业经济效益的降低。因此，对模具磨损的研究和预测在工程中具有重要意义。

本质上，模具的磨损失效是在冲压过程中由于模具与板料的摩擦作用，摩擦功的耗散造成模具表面特性发生变化，产生表面磨损，导致冲压件表面损伤现象，它属于成形界面磨损的一种形式。目前关于界面磨损的研究和预测手段主要以实验为主，然而由于摩擦学系统本身的复杂性、摩擦磨损涉及的因素过多、磨损正交实验设计次数较多、工作量巨大且重复性较弱等，磨损的实验研究和预测成本很高，难以实现较为经济广泛的工程应用。因此，工程上对经济、便捷、有效的冲压成形模具表面损伤预测方法仍有迫切需求。

经对现有文献检索，至今未发现有关基于摩擦功和数值模拟的方法对冲压成形中模具表面损伤预测的公开报道。

发明内容

本发明针对上述传统表面损伤实验预测方法中的不足，提供一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，利用数值模拟求解成形界面间摩擦功耗散的方法实现表面损伤的预测，目的在于为生产中提供一种有效的冲压零件表面损伤预测方法。由于数值模拟只依托于一般的计算机硬件和相应的软件平台，所以其可以经济地实现对多种参数的快捷控制、不同参数下数值模拟的重复、对比等；同时，数值模拟技术以及充分的模拟实验也保证了数值预测结果的可靠性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，具体包括以下步骤：

第一步，根据给定的模拟试验工况以及参数建立用于数值模拟的有限元模型，计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量；

第二步，根据上述计算的每种工况下的摩擦功耗散W，结合模拟试验中冲压件表面损伤达到一定深度的极限冲压次数N，构建N-W图；

第三步，根据给定实际生产冲压工况及参数，数值计算实际冲压成形界面摩擦功耗散W，结合步骤二中的N-W图，直接预测实际冲压工况下的冲压件表面损伤。

所述第一步中计算模拟试验成形界面的摩擦功耗散量的方法是：假定一个工作行程内需要n个增量步完成数值计算，接触副摩擦系数取常数，则一个工作行程中板料上任意位置x处的摩擦功为

其中：μ为接触副摩擦系数，p_i为第i个增量步的接触应力，τ_i为第i个增量步的界面摩擦力，其大小在数值模拟结果中直接提取得出，s_i为第i个增量步相应的滑动距离，由模型建立过程中增量步的大小和总滑动距离决定，n≤极限冲压次数N。

所述的数值计算是采用准静态假设，使用隐式静力算法进行有限元计算过程进行求解。

所述数值计算的具体方法，包括步骤如下：

1)建立各部件数值模型；

2)设置各部件材料属性；

3)完成各部件的装配；

4)设置接触属性；

5)设置接触分析过程的分析步；

6)单元选择和网格划分；

7)设定每一个分析步的边界条件，然后设定应力结果的输出；

8)提交分析；

9)结果输出；

数值计算完成后，即可导出接触面所有节点每个增量步对应的切应力τ_i，然后根据设定的总滑动距离和增量步相除求得s_i，即可求出每个节点摩擦功损耗w(x)，进而利用模具接触面节点数目n求得总的摩擦功耗散量W。

所述步骤1)中的各部件数值模型包括冲压过程中凸模、凹模、压边圈以及板料的数值模型。